向军文

(中国地质大学〈北京〉地球物理与信息技术学院,北京 100083)

定向对接连通井轨迹设计

向军文

(中国地质大学〈北京〉地球物理与信息技术学院,北京 100083)

定向钻井轨迹计算方法很多,但在轨迹处理及图示反馈上均不直观清楚。通过坐标变换,建立了以井口与靶点连线为基准参考面的定向对接连通井轨迹设计方法。比较校正平均角法和最小曲率法,通过两次坐标旋转,说明建立以井口与靶点(或靶井)连线方位为参考面的坐标系的定向对接井轨迹设计方法及优点。并且这种设计方法也可用于其它轨迹计算方法中。通过本设计方法,可及时反应自井口到靶点(靶井)的钻井轨迹与目标的误差偏离。通过 EXCEL编程及图示,运用 EXCEL功能及时跟踪设计,使定向对接井设计与施工简单直观。采用此法累计已成功完成的对接井达 100余对。

定向井;定向对接井;定向对接连通井;轨迹设计

定向对接连通井是要求定向水平井与另一井的靶点对接连通,过去采用的轨迹设计方法均建立在地理坐标系中,不利于及时反应对接井偏离误差分析。为此,需要建立一井口与靶点(靶井)的定向对接井轨迹设计方法,以便及时反应对接井钻井要求。

1 变换原理

假定坐标系 XOY绕原点沿逆时针方向旋转θ度后,变成坐标系 X′OY′(如图 1所示)。则M点在原坐标系中的坐标为 (X,Y),旋转后的新坐标为(X′,Y′)。

图1 坐标系旋转

2 校正平均角法设计

式中:ΔH——轨迹垂增,m;ΔN、ΔE——轨迹北增和东增,m;ΔL——井段长度,m;α1、α2——上下测点井斜角,(°);φ1、φ2——上下测点方位角,(°);Δ α、Δ φ——上下测点井斜角增量和方位角增量,(°)。

采用井口与靶点连线方位为 X轴,按逆时针建立 Y轴。假设井口与靶点连线方位为β,则此时ΔX,ΔY分别对应ΔN,ΔE。

延连线方位指向,为方便理解起见,按右手边为增大,左手边为减小原则。

如图 2所示,设点在 N、E坐标系中,其坐标为M(ΔN,ΔE)。自N、E地理坐标系转化为 X、Y′连线坐标系,则需要逆时针方向旋转角,再以 X轴旋转 180°后,即得到 X、Y坐标系。

图2 由N、E坐标系旋转到X、Y坐标系

其对应旋转后的坐标为M(ΔX,ΔY)。根据(2)式有:

3 最小曲率法设计

此即为以井口和靶点连线方位为参考轴的定向对接井轨迹设计最小曲率法。

4 关于井口与靶点连线方位

钻井工程中,依据地质要求确定井位及靶点大地坐标,而依据大地坐标所计算的与靶点方位为地理方位,但钻井工程测量所用的仪器为磁性测量仪器。其方位对应变换和以下各因素有关。

式中:ξ——地理方位角,(°);φ——磁方位角, (°);r——子午线收敛角即地球椭球体面上一点的真子午线与位于此点所在的投影带的中央子午线之间的夹角,(°),该角有正、负之分,以真子午线北方向为准,当坐标纵轴线北端位于以东时称东偏,其角值为正,当坐标纵轴线北端位于以西时称西偏,其角值为负;δ——磁偏角即真子午线与磁子午线的夹角,(°),东为正值,西为负值。

根据资料[2],则连线磁方位为:

设井口及靶点地理坐标分别为 (X0,Y0,Z0), (X1,Y1,Z1)有:

则校正平均角法及最小曲率法的轨迹设计式(4)、(6)中:

5 工程实例

采用此设计方法已顺利完成 100多对定向对接井的轨迹设计,现以其中一个工程为例。工程某地水平井口坐标为 (402711.397,449452.052, 8521899),要求对接靶点坐标为 (402906.926, 449986.907,872.781),并且途中需要通过 2个控制点A、B(参见图 4)。当地磁偏角为西偏 4.3°,子午线收敛角为 -113°。根据下列方法编制的 EXCEL程序及结果见图 3、图 4。

图3 定向对接井设计程序

图4 对应的轨迹水平投影图及垂直投影图

根据式(10)有:

对应的轨迹设计为:

不同的井,只需要更改图 3中隐框显示的方位角为该井口与靶点连线磁方位角即可。如要计算地理坐标,只需要将该处输入当地磁偏角,初始 X、Y、 Z输入井口地理坐标即可。

6 结语

(1)建立井口与靶点连线方位为基准参考坐标系,修正轨迹计算式,使轨迹设计直观,便于采用简单计算程序跟踪对比,可及时反应实钻轨迹与目标点的设计偏差,适用定向对接井及定向井工程。

(2)定向对接连通井轨迹设计计算可采用校正平均角法能满足连通要求。

(3)计算中需考虑磁偏角、子午线收敛角对轨迹精度的影响。

[1] 韩志勇.定向井设计与计算 [M].北京:石油工业出版社, 1989.

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[7] 周铁芳,赵建亚,向军文,等.采卤对接井钻井技术的研究[J].探矿工程,1995,(1).

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I ntersectedW ell Path Design

XIANG Jun2wen(College of Geophysics and Information Technology,China University of Geosciences,Beijing 100083,China)

There are manyways to calculate directional drilling trajectory,but none of them are straightforward in trajectory processing and graphic display.A designmethod for directionalwell intersection is createdwith the connection line between the well point and the target as the reference plane through conversion of co2ordinates for twice.Through comparison with the calibrated average angle method and the min imum radiusmethod,the design method is described with its advantages. This design method can provide errors be tween the drilling trajectory and the target in real time.Excel based software and graphics are used to track the design,resulting in simple and straightfor ward directional drilling design and construction. Thismethod has been used to complete more than 100 pairs of intersected wells.

directionalwell;directional intersected well;directional connected well;drilling path design

P634.7

A

1672-7428(2011)05-0011-04

2011-01-17

中国地质调查局地质调查项目“高精度定向钻进中靶系统”(1212010816011)

向军文(1967-),男(汉族),湖北黄梅人,中国地质大学(北京)教授级高级工程师,地质工程专业,博士,从事定向钻进技术研究与开发工作,北京市海淀区学院路 29号地球物理与信息技术学院,xiangjunwen@vip.sina.com。